JP3759571B2 - リニアモータ駆動往復機構の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータによって往復出力部を往復駆動するリニアモータ駆動往復機構の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷蔵庫の如き冷却装置においては、膨張した冷媒ガスを圧縮する装置として、リニアモータによってシリンダー内でピストンを往復駆動してガスの圧縮を行なうリニアコンプレッサーの開発が進められている(例えば特開平１１−３２４９１１号参照)。
【０００３】
リニアコンプレッサーにおいては、ピストンが上死点に達したときのピストンヘッドとシリンダー上壁の間隙(トップクリアランス)が小さい程、高い体積効率が得られるので、変位センサーによってピストンの位置を検知し、該検知信号に基づいて、トップクリアランスが例えば１００μｍとなる様、リニアモータのフィードバック制御が行なわれる。
変位センサーとしては例えば、ＭＲセンサー、差動トランス、レーザ変位計等を採用することが可能である。
【０００４】
具体的には、リニアモータのフィードバック制御において、ピストンの目標位置に応じて位置指令値が生成され、位置センサーによって検出されたピストンの現在位置と、前記生成された位置指令値とに基づいて、リニアモータに供給する駆動電流の指令値が生成され、生成された電流指令値に応じた駆動電流によってリニアモータが駆動される。
【０００５】
又、ピストンを共振周波数で駆動することが効率の点で有利となるため、ピストンの振動の数百サイクル毎に共振周波数を算出し、ピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける制御が実行される。
但し、ピストンの駆動周波数が共振周波数に近づくと、ピストンの駆動に必要な電力が減少するため、一時的に過大な駆動電流がリニアモータに供給されることになり、この結果、ピストンが上死点や下死点にて目標位置をオーバーして、シリンダー上壁に衝突する虞れがある。
そこで従来は、ピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける際に、電流指令値を算出する際のゲイン(電流ゲイン)を数％減少させて、ピストンのオーバーストロークを回避している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如くピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける際に一律に電流ゲインを数％減少させる制御では、特に現在の駆動周波数と共振周波数の差が小さい場合、ピストンのストロークが本来のストロークよりも小さくなる問題があった。
電流ゲインを減少させることなくピストンのオーバーストロークを回避するためには、ピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける際の周波数の最小変更単位を出来るだけ小さく設定することが有効である。これによって、周波数を変更する際のピストンの駆動に必要な電力の変動幅を小さく抑えることが出来るため、オーバーストロークの発生を回避することが出来る。
【０００７】
ところが、駆動周波数の最小変更単位は、ピストンの位置指令値を生成する際に用いるサインテーブルのデータ量(分解能)に依存し、サインテーブルのデータ量は、データの格納に利用出来るメモリの容量によって制約されるため、メモリの容量を増大させない限り、周波数の最小変更単位をより小さくすることは出来ない。
【０００８】
例えば、サインテーブルには、図１０に示す様に、ピストンの振動の４分の１周期分の波形を規定する５０００個のデータ(Ｎｏ.０〜Ｎｏ.４９９９)が書き込まれており、制御周期が４５０μｓｅｃの場合、ピストンの駆動周波数を６０Ｈｚに制御するためには、サインテーブルからは５４０個のデータ取り出し間隔で離散的にデータを取り出す必要がある。この場合、例えば駆動周波数を上げるためにデータ取り出し間隔を最小単位の１だけ増大させて５４１個とすると、駆動周波数は６０.１Ｈｚに上がることになる。即ち、駆動周波数の最小変更単位は０.１Ｈｚとなり、それよりも小さな幅で駆動周波数を変化させることは出来ない。
この様な大きな幅で駆動周波数を変化させると、上述の如くピストンの駆動に必要な電力が一度に大きく変化するため、オーバーストローク発生の可能性が高くなる。
【０００９】
そこで本発明の目的は、メモリの容量を現状に維持したままで、駆動周波数の最小変更単位を小さくすることが出来るリニアモータ駆動往復機構の制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係るリニアモータ駆動往復機構の制御装置は、
往復出力部の現在位置を検出するための位置検出手段と、
往復出力部に対する位置指令値を生成する位置指令値生成手段と、
検出された現在位置と、生成された位置指令値とに基づいて、リニアモータを制御するモータ制御手段
とを具えている。
【００１１】
ここで、前記位置指令値生成手段は、往復出力部の現在の駆動周波数を目標の駆動周波数に向けて変更する過程で、往復出力部の１往復動毎に、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数の存在比率を変化させながら、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数が混在する合成波形に基づいて、位置指令値を生成するものである。
【００１２】
上記本発明の制御装置によれば、図８に示す如く現在の駆動周波数ａＨｚ(例えば６０.０００Ｈｚ)を目標の駆動周波数ｂＨｚ(例えば６０.１００Ｈｚ)に変更する場合、往復出力部の複数回の往復動によって、徐々に駆動周波数の変更を行なう。即ち、現在の駆動周波数を実現している波形では、ａＨｚの波形の存在比率が１００％で、ｂＨｚの波形の存在比率が０％であるが、これを最終的に、ａＨｚの波形の存在比率が０％で、ｂＨｚの波形の存在比率が１００％の波形に変化させて、目標の駆動周波数ｂＨｚを実現する場合、図示の如く、１往復動毎に、ａＨｚの波形の存在比率を９９％、９８％、…１％と徐々に減少させる一方、ｂＨｚの波形の存在比率を１％、２％、…９９％と徐々に増大させる。この様に２つの波形の存在比率を変化させるためには、ａＨｚの波形の一部をｂＨｚの波形の一部で置き換えて、合成波形を生成すればよい。
【００１３】
これによって、ａＨｚの波形の存在比率が９９％で、ｂＨｚの波形の存在比率が１％の場合、この１往復動における周波数は６０.００１Ｈｚとなる。次に、ａＨｚの波形の存在比率が９８％で、ｂＨｚの波形の存在比率が２％の場合、この１往復動における周波数は６０.００２Ｈｚとなる。この様にして、周波数が０.００１Ｈｚずつ変化して、最終的に６０.１００Ｈｚに達するのである。
【００１４】
従って、図８の例では、駆動周波数の最小変更単位は０.００１Ｈｚとなり、従来の最小変更単位である０.１Ｈｚと比べて、１００分の１の小さな値となる。
この様に現在の駆動周波数から目標の駆動周波数に向かって、従来よりも小さな周波数変更単位で徐々に周波数を変更することによって、往復出力部の駆動に必要な電力の変動幅を小さく抑えることが出来るため、オーバーストロークの発生を回避することが出来る。
【００１５】
尚、現在の駆動周波数から目標の駆動周波数に向かって徐々に周波数を変更する動作は、当初の目標駆動周波数に達するまで継続することによって、周波数の変更を滑らかに行なうことが出来る。
これに対し、現在の駆動周波数から目標駆動周波数に向かって徐々に周波数を変更する動作は、その途中で、目標駆動周波数の更新によって目標駆動周波数が達成されたときに中止することも可能である。
【００１６】
具体的構成において、前記位置指令値生成手段は、
サイン波形を一連のデータ列として表わしたサインテーブルと、
サインテーブルから一定の周期で順次データを離散的に取り出しつつ、取り出したデータに基づいて、往復出力部の位置指令値を作成するデータ処理手段と、往復出力部の現在の駆動周波数を目標の駆動周波数に向けて変更する際、往復出力部の１往復動に必要な複数のデータをサインテーブルから取り出す動作において、現在の駆動周波数を決定している第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、目標の駆動周波数を達成することが出来る第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ向けて、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を徐々に増加させるデータ取り出し制御手段
とを具えている。
【００１７】
該具体的構成を具えた制御装置によれば、現在の駆動周波数を決定している第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作によって、現在の駆動周波数の波形の存在比率が１００％の波形に基づいて位置指令値が作成され、最終的に第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出した場合は、目標の駆動周波数の波形の存在比率が１００％の波形に基づいて位置指令値が作成されることになる。又、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を徐々に増加させる過程では、現在の駆動周波数の波形と目標の駆動周波数の波形の存在比率が変化する合成波形に基づいて、位置指令値が作成されることになる。
【００１８】
具体的構成において、サインテーブルには、サイン波形の４分の１周期分のデータが規定されており、データ処理手段は、前記４分の１周期分のデータに基づいて、残りの４分の３周期分のデータを導出する。
これによって、サインテーブルを格納するためのメモリの容量が節約される。
【００１９】
又、具体的構成において、前記位置指令値生成手段は、データ取り出し制御手段によって設定された第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作に移行するまで、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させる処理を続行する。
これによって、現在の駆動周波数から目標の駆動周波数まで、滑らかな周波数変更を行なうことが出来る。
【００２０】
他の具体的構成において、前記位置指令値生成手段は、データ取り出し制御手段によって設定された第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、目標の駆動周波数を達成することが出来る第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ移行する途中で、目標駆動周波数が達成されたとき、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させる処理を中止する。
これによって、周波数変更の途中で目標駆動周波数が変動した場合に、目標駆動周波数が迅速に実現されることになる。
【００２１】
更に具体的構成において、データ取り出し制御手段は、第１のデータ取り出し間隔Ｔ１で全てのデータを取り出す動作から、第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を徐々に増加させるべく、
サインテーブルに規定されているデータに基づいて導出されるべき１周期分のデータの数をテーブルデータ数Ｎとして、該テーブルデータ数Ｎに整数の倍率Ｏを乗算して、テーブルデータ数拡張値Ｐを算出する手段と、
第１のデータ取り出し間隔Ｔ１に前記倍率Ｏを乗算して、データ取り出し間隔拡張値Ｍの初期値を算出すると共に、第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を増加させんとする度に、データ取り出し間隔拡張値Ｍを単位量だけ変化させて更新する手段と、
第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を増加させんとする度に、データ取り出し間隔拡張値Ｍだけカウンタ値Ｑが増大されるカウンタ手段と、
カウンタ手段のカウンタ値Ｑがテーブルデータ数拡張値Ｐ以上の値となったか否かを判断する手段と、
前記判断手段がイエスと判断したとき、カウンタ手段のカウンタ値Ｑからテーブルデータ数拡張値Ｐを減算して、カウンタ値Ｑを変更する手段と、
カウンタ値Ｑを前記倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号Ｒとして、サインテーブルから順次データを取り出す手段
とを具えている。
【００２２】
上記具体的構成において、カウンタ手段のカウンタ値Ｑにはその初期値０にサイクル毎にデータ取り出し間隔拡張値Ｍを加算する処理が繰り返され、これによって、前記仮想のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られる。
この過程で、カウンタ値Ｑがテーブルデータ数拡張値Ｐ以上となったときは、カウンタ値Ｑからテーブルデータ数拡張値が減算されて、サインテーブルから１周期分のデータを繰り返し読み出す際の折り返し処理が行なわれる。
この様にして得られるカウンタ値Ｑを倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号Ｒとすることより、実際のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られる。ここで、カウンタ値Ｑの増大に伴ってデータ取り出し番号は一定値ずつ増大することになるが、除算に伴う切り捨て処理で桁上りを生じることによって、データ取り出し番号は前記一定値よりも１だけ大きな値に増大することになる。この桁上りの回数は、データ取り出し間隔拡張値Ｍの変化に伴って、１サイクル毎に１回ずつ増加する。
従って、前記のデータ取り出し番号に基づいてサインテーブルからデータを取り出す手続きを繰り返すことによって、第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ向けて、１サイクル毎に、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させることが出来る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係るリニアモータ駆動往復機構の制御装置によれば、メモリの容量やＣＰＵの能力を現状に維持したままで、駆動周波数の最小変更単位を小さくすることが出来る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリニアコンプレッサに実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係るリニアコンプレッサー(１)は、図３に示す如く、円筒状のケーシング(10)の上端部及び下端部の夫々に設けられた一対のシリンダー(11a)(11b)と、シリンダー(11a)(11b)内に夫々嵌挿された一対のピストン(12a)(12b)とを具え、ピストン(12a)(12b)のヘッドとシリンダー(11a)(11b)の上壁の間には、一対の圧縮室(13a)(13b)が形成されている。又、各シリンダー(11a)(11b)には、圧縮室(13a)(13b)内のガス圧に応じて開閉する吸入バルブ(14a)(14b)と吐出バルブ(15a)(15b)が取り付けられている。
【００２５】
一対のピストン(12a)(12b)は夫々、１本のロッド(16)の一方の端部及び他方の端部に連結されており、該ロッド(16)は、一対の軸受け(17a)(17b)及びコイルばね(18a)(18b)によって、ケーシング(10)及びシリンダー(11a)(11b)内を往復動自在に支持されている。
【００２６】
また、リニアコンプレッサー(１)は、ピストン(12a)(12b)を往復駆動するためのリニアモータ(20)を具えている。該リニアモータ(20)はボイスコイルモータであって、ヨーク部(10a)及び永久磁石(21)を含む固定部と、コイル(23)及び円筒状の支持部材(24)を含む可動部とを具えている。ヨーク部(10a)は、ケーシング(10)の一部を構成している。永久磁石(21)は、ヨーク部(10a)の内周壁に固定されている。
支持部材(24)の一方の端部は、永久磁石(21)と本体胴部(12)外周壁との間の円筒状空間に遊挿され、他方の端部はロッド(16)の中央部に連結されている。コイル(23)は、支持部材(24)の前記一方の端部に取り付けられ、永久磁石(21)に対向している。
【００２７】
ロッド(16)の中央に突設したアーム(160)には、Ｎ極とＳ極が一定ピッチで交互に着磁されたマグネット板(42)が固定される一方、ケーシング(10)の内面に形成した突部(100)には、マグネット板(42)に対向して、ＭＲ素子(41)が取り付けられ、ＭＲ素子(41)及びマグネット板(42)によって変位センサー(４)が構成されている。該変位センサー(４)は、変位に応じたＡ相及びＢ相の出力と、ロッド(16)が一対のピストン(12a)(12b)の原点位置に達したときのＺ相の出力を有している。
【００２８】
上記リニアコンプレッサー(１)は、ピストン(12a)(12b)、ロッド(16)、コイル(23)、及び支持部材(24)の質量、圧縮室(13a)(13b)のガスのばね定数、コイルばね(18)のばね定数等から決まる共振周波数を有しており、該共振周波数は、通常、商用電力の周波数（例えば６０Ｈｚ）付近に設定される。この共振周波数でリニアモータ(20)を駆動することにより、高い効率にて、上下一対の圧縮室(13a)(13b)内で交互にガスを圧縮することが出来る。
【００２９】
図１に示す如く、リニアコンプレッサー(１)には、モータドライバー(３)、制御回路(５)及びセンサー信号処理回路(６)からなる駆動制御装置(２)が接続されている。モータドライバー(３)は、リニアコンプレッサー(１)のリニアモータに駆動電流Ｉを供給するものである。又、制御回路(５)は、ＣＰＵ、メモリ等からなるマイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵによる制御周期は１５０μｓｅｃである。
【００３０】
リニアコンプレッサー(１)のピストンの変位に応じて変位センサー(４)から出力される正弦波のセンサー信号Ｓは、センサー信号処理回路(６)に供給されて、方形波に変換された後、該方形波の個数がカウントされ、該カウント値に基づいて、ピストンの変位を表わす位置データＰａが作成され、制御回路(５)に供給される。尚、前記カウント値は、変位センサー(４)から得られるＺ相の信号に基づいてリセットされ、これによって、位置データＰａは、ピストンの原点位置を零点とする変位を表わすことになる。ここで、方形波のカウントは、制御回路(５)に設けたカウンタによって行なう構成も採用可能である。
制御回路(５)は、センサー信号処理回路(６)からの位置データＰａに応じて制御信号φｃを作成し、該信号をモータドライバー(３)へ出力して、出力電流Ｉを制御する。
【００３１】
図２は、図１に示す制御回路(５)の構成を表わしている。
図示の如く制御回路(５)は、位置指令値生成部(30)、位置・速度制御部(31)、電流指令値生成部(32)、位置・速度検出部(33)、上下死点検出部(34)、電流・速度位相差検出部(35)、電流ゲイン制御部(36)、振幅中立位置制御部(37)、及び周波数制御部(38)から構成されている。
【００３２】
位置・速度検出部(33)は、センサー信号処理回路(６)から位置データＰａを取り入れて、これを位置現在値Ｐｎｏｗとすると共に、位置現在値Ｐｎｏｗを微分して速度現在値Ｖｎｏｗを求める。
【００３３】
上下死点検出部(34)は、位置・速度検出部(33)から得られる一連の位置現在値Ｐｎｏｗに基づいて、ピストン(12a)(12b)の上死点と原点の間の上死点側振幅、及び下死点と原点の間の下死点側振幅を検出する。上死点側振幅及び下死点側振幅の検出は、位置指令Ｐｒｅｆの１サイクルが終了する度に、即ち位置指令Ｐｒｅｆがゼロクロス点(−→＋)を通過する度に行なわれる。
【００３４】
電流・速度位相差検出部(35)は、位置・速度検出部(33)で生成された位置現在値Ｖｎｏｗと電流指令値生成部(32)で生成された電流指令値Ｉｒｅｆとの位相差を検出する。この位相差は、現在の駆動周波数と共振周波数のずれに応じた値となる。尚、位相差の検出は、位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了する度に、即ち位置現在値Ｐｎｏｗがゼロクロス点(−→＋)を通過する度に行なわれる。
【００３５】
周波数制御部(38)は、電流・速度位相差検出部(35)によって検出された位相差が予め定められた許容値を越えているかどうかを判断し、越えている場合は位相差がなくなるように、即ち共振周波数が得られる様に、位置指令値生成部(30)で用いられる角周波数ωを補正し、補正後の角周波数ωを目標駆動周波数として位置指令値生成部(30)へ供給する。
尚、目標駆動周波数の達成によって、ピストン(12a)(12b)の駆動に必要な電力は減少するが、後述の如く、電力の変動幅は十分に小さいため、ピストン(12a)(12b)のヘッドがシリンダー(11a)(11b)の上壁に衝突する虞れはない。
【００３６】
振幅中立位置制御部(37)は、上下死点検出部(34)で検出された上死点側振幅と下死点側振幅とを比較し、両振幅の差が小さくなるように位置指令値生成部(30)で用いられるシフト量Ｂを位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了する度に制御する。即ち振幅中立位置制御部(37)は、上死点側振幅の方が下死点側振幅よりも大きい場合はシフト量Ｂを負側（下方向）に補正し、上死点側振幅の方が下死点側振幅よりも小さい場合はシフト量Ｂを正側（上方向）に補正する。通常、シフト量Ｂはバルブの非対称性等の装置の特性によりほぼ一定になるため、シフト量Ｂの１回あたりの制御量は小さな値（例えば１μｍ）に設定されている。このようにシフト量Ｂを制御することにより、一対のピストン(12a)(12b)のトップクリアランスを同じ値に精度よく制御することができる。
【００３７】
位置指令値生成部(30)は、メモリに格納されたサインテーブルと、振幅Ａと、角周波数ωと、シフト量Ｂと、式Ｐｒｅｆ＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ（正弦関数）とに基づいて位置指令値Ｐｒｅｆを生成し、生成した位置指令値Ｐｒｅｆを位置・速度制御部(31)に与える。尚、サインテーブルには、図１０に示す如く、サイン波形の４分の１周期分に相当する５０００個のデータ(Ｎｏ.０〜Ｎｏ.４９９９)が規定されており、残りの４分の３周期分のデータは、前記４分の１周期分のデータに基づいて導出されるが、以下の説明では、便宜上、１周期分の２００００個のデータをサインテーブルから取り出すものとして説明する。
【００３８】
位置指令値Ｐｒｅｆの生成に際し、位置指令値生成部(30)は、サインテーブルから一定の周期(４５０μｓｅｃ)で順次データを離散的に取り出す。このときのデータの取り出し間隔によって、駆動周波数が決まることになる。
そして、駆動周波数を変更するときのデータ取り出し間隔は、周波数制御部(38)から得られる目標駆動周波数(角周波数ω)に基づいて、次の様にして決定される。
即ち、現在の駆動周波数が共振周波数から許容値を越えてずれている場合、共振周波数を実現するべく、ピストンの１往復動に必要な２００００個のデータをサインテーブルから取り出す動作において、現在の駆動周波数(例えば６０Ｈｚ)を決定している第１のデータ取り出し間隔(例えば５４０)で全てのデータを取り出す動作から、ピストンの１往復動毎に、データの取り出し回数を１回ずつ増加させる。これによって、駆動周波数について最小分解能が達成される。そして、このデータ取り出し間隔でサインテーブルから取り出したデータに基づいて、位置指令値Ｐｒｅｆを生成するのである。尚、位置指令値生成部(30)による具体的な位置指令値生成手続きについては後述する。
【００３９】
図９は、現在の駆動周波数６０.００００Ｈｚから目標の駆動周波数６０.１０００Ｈｚへ周波数を変更する過程を表わしている。ここで、サインテーブルから１周期分の２００００個のデータを順次取り出す動作において、１振動分を全て５４０のデータ取り出し間隔で行なう動作から、１周期分を全て５４１のデータ取り出し間隔で行なう動作へ向けて、５４１のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数が１サイクル毎に１回ずつ増加され、３７サイクル目で目標周波数が達成される。例えば、第２サイクルでは、データ取り出し間隔５４１によるデータの取り出しが１回だけ行なわれ、第３サイクルでは、データ取り出し間隔５４１によるデータの取り出しが２回行なわれ、更に目標周波数達成直前の第３６サイクルでは、５４１のデータ取り出し間隔によるデータの取り出しが３６回行なわれる。この様にして、１サイクル毎に、現在の駆動周波数６０.００００Ｈｚと目標の駆動周波数６０.１０００Ｈｚの存在比率を変化させながら、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数が混在する波形に基づいて、位置指令値Ｐｒｅｆが生成される。
この結果、駆動周波数について最小分解能０.００２７Ｈｚが実現されることになる。
【００４０】
図２の位置・速度制御部(31)は、位置指令値生成部(30)で生成された位置指令値Ｐｒｅｆと位置・速度検出部(33)で生成された位置現在値Ｐｎｏｗと偏差Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗに基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを生成し、更に速度指令値Ｖｒｅｆと位置・速度検出部(33)で生成された速度現在値Ｖｎｏｗとの偏差Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗに基づいて速度制御値Ｖｃを生成する。
【００４１】
電流ゲイン制御部(36)は、上下死点検出部(34)で検出された上死点側振幅と下死点側振幅とを比較し、上死点側振幅及び下死点側振幅のうちのいずれか大きい方を最大振幅現在値Ａｎｏｗとし、この最大振幅現在値Ａｎｏｗが予め定められた最大振幅目標値Ａｒｅｆに一致するように電流指令値生成部(32)で用いられる電流ゲインＧｉの値をピストン(12a)(12b)の振動の１サイクルごとに制御する。
【００４２】
又、電流ゲイン制御部(36)は、ピストン(12a)(12b)の往復動の数百（例えば３００）サイクルに１回、電流・速度位相差検出部(35)で検出された位相差が予め定められた許容値を越えているかどうかを判断し、越えている場合は更に、位相差が所定の超過判断基準を越えているかどうかを判断し、越えている場合は、電流指令値生成部(32)で用いられる電流ゲインＧｉの値を所定値だけ減少させる。尚、位相差が所定の許容値を越えているが、所定の超過判断基準を越えていない場合は、電流ゲインを減少させることなく、位置指令値生成部(30)による最小分解能での周波数変更処理が実行される。
【００４３】
電流指令値生成部(32)は、位置・速度制御部(31)で生成された速度制御値Ｖｃと、電流ゲインＧｉと、式Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ×Ｖｃとに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを生成し、更に電流指令値Ｉｒｅｆを制御信号φｃに変換してモータドライバー(３)に与える。モータドライバー(３)の出力電流Ｉの制御は、例えばＰＷＭ方式で行なわれる。
【００４４】
上記制御回路(５)においては、先ず位置指令値生成部(30)で位置指令値Ｐｒｅｆが生成され、位置・速度制御部(31)で速度制御値Ｖｃが生成され、位置・速度制御部(31)で制御信号φｃが生成される。モータドライバー(３)からリニアモータ(20)のコイル(23)に電流が供給されると、リニアモータ(20)の可動部が往復運動を開始して、ガスの圧縮が開始される。
【００４５】
次に、図４〜図７に示すフローチャートに基づいて、図１及び図２に示す制御回路(５)の具体的な制御手続きを説明する。
具体的制御手続きにおいては、サインテーブルが仮に、実際のデータ数に所定倍率を乗算したデータ数を有しているものとした場合において、この仮想のサインテーブルから順次データを取り出すときのデータ取り出し間隔を算出し、その結果を、実際のサインテーブルから順次データを取り出すときのデータ取り出し間隔に換算するという手続きが採用されている。
【００４６】
先ず図４のステップＳ０では、下記数１に基づいて、データ取り出し間隔拡張値が算出される。
【数１】
【００４７】
ここで、テーブルデータ数は、サインテーブルから取り出されるサイン波形１周期分のデータの数であって、本実施例では２００００個である。倍率は、周波数についての分解能(微細化率)であって、本実施例の場合は３７である。又、位置データ取り出し周期は、ＣＰＵの制御周期(サンプリング時間)である１５０μｓｅｃの任意の整数倍、本実施例では、制御周期に後述の第１カウンタの設置値：３を乗算した値：４５０μｓｅｃに設定される。従って、テーブルデータ数拡張値は７４００００となる。又、現在の駆動周波数を６０Ｈｚとすると、データ取り出し間隔拡張値は１９９８０となる。
【００４８】
次に、ステップＳ１では、位置・速度検出部(33)によって位置データＰａの読み込みが行なわれ、ステップＳ２では、位置・速度検出部(33)によって位置現在値Ｐｎｏｗ及び速度現在値Ｖｎｏｗが算出される。
ステップＳ３では、位置・速度制御部(31)によって速度制御が行なわれる。即ち、位置・速度制御部(31)は、速度指令値Ｖｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗとの偏差に基づいて速度制御値Ｖｃを生成し電流指令値生成部(32)に与える。
【００４９】
ステップＳ４では、電流指令値生成部(32)によって速度制御値Ｖｃと電流ゲインＧｉの積である電流指令値Ｉｒｅｆが生成され、ステップＳ５において電流指令値生成部(32)から電流指令値Ｉｒｅｆに応じた電流指令データ即ち制御信号φｃがモータドライバー(３)に出力される。
ステップＳ６にて、制御回路(５)に含まれる第１カウンタ（図示せず）のカウント値がインクリメント（＋１）され、ステップＳ７において第１カウンタのカウント値が設定値（本実施例では３）に到達したか否かが判断される。
【００５０】
ステップＳ７にて第１カウンタのカウント値が設定値に到達していた場合は、ステップＳ８に移行し、位置指令値生成部(30)において位置補正量及び周波数設定値に基づいて振幅Ａ及び角周波数ωが生成され、更に、サインテーブルのデータ、振幅Ａ、シフト量Ｂ及び角周波数ωに基づいて、位置指令値Ｐｒｅｆ＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂが生成される。尚、位置指令値Ｐｒｅｆの生成において、サインテーブルからデータを取り出すための具体的な手続きについては図７に基づいて後述する。
【００５１】
続いて、図４のステップＳ９では、位置・速度制御部(31)によって位置制御が行なわれる。即ち位置・速度制御部(31)は、位置指令値Ｐｒｅｆと位置現在値Ｐｎｏｗの偏差に基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを生成する。位置制御が終了した後、ステップＳ１０にて第１カウンタのカウント値がリセットされる。
【００５２】
ステップＳ７において第１カウンタのカウント値が設定値に到達していない場合は、ステップＳ８〜Ｓ１０は実行されない。
次に、ステップＳ１１にて位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了したか否かが判断される。この判断は、位置現在値が負の値から正の値にゼロクロスしたかどうかの判断に代えることも可能である。
【００５３】
ステップＳ１１において位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了したと判断した場合はステップＳ１２に移行し、上下死点検出部(34)によって、位置・速度検出部(33)から得られる位置現在値Ｐｎｏｗの最大値及び最小値に基づいて、ピストン(12a)(12b)の上死点側振幅及び下死点側振幅が算出される。
ステップＳ１３において上死点側振幅と下死点側振幅の大小関係が比較され、上死点側振幅の方が下死点側振幅より大きい場合は、ステップＳ１４に移行し、振幅中立位置制御部(37)によってシフト量Ｂの補正量として負の補正量が設定され、ステップＳ１５では、最大振幅現在値Ａｎｏｗとして上死点側振幅が設定される。
【００５４】
ステップＳ１３における大小比較の結果、下死点側振幅の方が上死点側振幅より大きい場合は、ステップＳ１６に移行し、振幅中立位置制御部(37)によってシフト量Ｂの補正量として正の補正量が設定され、ステップＳ１７では、最大振幅現在値Ａｎｏｗとして下死点側振幅が設定される。
ステップＳ１８において電流ゲイン制御部(36)によって最大振幅現在値Ａｎｏｗが最大振幅目標値Ａｒｅｆに一致するように電流ゲインＧｉが制御、設定された後、ステップＳ１９に移行し、上下死点検出部(34)において位置現在値Ｐｎｏｗの最大値及び最小値がリセットされる。
【００５５】
ステップＳ１１にて位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了しなかったと判断した場合は、ステップＳ１２〜Ｓ１９は実行されない。
次にステップＳ２０では、上下死点検出部(34)において位置現在値Ｐｎｏｗの最大値及び最小値の検出・保持が行なわれる。
【００５６】
その後、図５のステップＳ２１に移行し、位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了したか否かが判断される。この判断は、位置現在値が負の値から正の値にゼロクロスしたかどうかの判断に代えることも可能である。
ステップＳ２１にて位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了したと判断された場合は、ステップＳ２２に移行し、電流・速度位相差検出部(35)によって電流指令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相差が検出される。
【００５７】
次に、ステップＳ３５では、周波数制御処理フラグＦＬＡＧがＯＮ(オン)となっているか否かが判断され、ここでノーと判断されたときはステップＳ３６に移行して、第２カウンタ(図示省略)のカウント値をインクリメントし、ステップＳ３７では第２カウンタのカウント値が設定値(３００)に到達した否かが判断される。
ステップＳ３７にて第２カウンタのカウント値が設定値に到達したと判断された場合は、ステップＳ３８に移行し、電流指令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相差が許容値以内であるか否かが判断される。
【００５８】
ステップＳ３８にて位相差が許容値以内でないと判断されたときは、ステップＳ３９にて周波数処理フラグＦＬＡＧをＯＮとした後、ステップＳ４０では、目標周波数が設定される。
更にステップＳ４１では、周波数を目標周波数に向けて最小分解能だけ変更する手続き、具体的には、周波数を増大させるときは前記データ取り出し間隔拡張値に１を加算し、周波数を減少させるときには前記データ取り出し間隔拡張値から１を減算して、データ取り出し間隔拡張値を更新する手続きが実行される。
その後、ステップＳ４２にて、第２カウンタをリセットする。
【００５９】
前記ステップＳ３７にてノーと判断されたとき、ステップＳ３８〜Ｓ４２は実行されない。又、前記ステップＳ３８にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３９〜Ｓ４１は実行されない。
【００６０】
前記ステップＳ３５にてイエスと判断されたときは、ステップＳ４３に移行して、現在の駆動周波数が目標周波数に到達したか否かが判断される。ここでノーと判断されたときはステップＳ４４にて周波数を最小分解能だけ変更する手続きが実行され、イエスと判断されたときはステップＳ４５にて周波数制御処理フラグＦＬＡＧをＯＦＦ(オフ)とした後、ステップＳ４６に移行する。
そして、ステップＳ４６では、リニアコンプレッサーの運転中止等により制御を終了すべきか否かを判断し、イエスと判断されたときは手続きを終了し、ノーと判断されたときは図４のステップＳ１に戻って、制御を繰り返す。
【００６１】
図７は、図４のステップＳ８で実行される位置指令値生成の際のデータ取り出し手続きであって、前記仮想のサインテーブルから順次データを取り出す場合のデータ取り出し間隔に基づいて、実際のサインテーブルから順次データを取り出す際のデータ取り出し番号を算出する具体的な手続きを表わしている。
【００６２】
先ずステップＳ５１にて、第３カウンタのカウント値(第３カウンタ値)にデータ取り出し間隔拡張値を加算して、第３カウンタ値を更新する。この第３カウンタ値によって、前記仮想のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られる。
続いて、ステップＳ５２にて第３カウンタ値がテーブルデータ数拡張値以上であるか否かが判断され、ここでノーと判断されたときはステップＳ５４へ移行し、イエスと判断されたときは、ステップＳ５３に移行して、第３カウンタ値からテーブルデータ数拡張値を減算して、第３カウンタ値を更新した後、ステップＳ５４へ移行する。この様に、第３カウンタ値からテーブルデータ数拡張値を減算することによって、サインテーブルから１周期分のデータを繰り返し読み出す際の折り返し処理が行なわれる。
【００６３】
ステップＳ５４では、第３カウンタ値を倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号とする。これによって、実際のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られることになる。
そして、ステップＳ５５では、算出されたデータ取り出し番号により、サインテーブルからデータを取り出す。尚、４分の１周期分のデータはサインテーブルから直接に取り出すが、残りの４分の３周期のデータは、４分の１周期のデータに基づいて導出する。
【００６４】
図７に示すデータ取り出し手続きを繰り返すことによって、第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、１サイクル毎に、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させることが出来る。
例えば図９に示す例において、前記の如く、テーブルデータ数N＝２００００、倍率O＝３７、位置データ取り出し周期＝４５０μｓｅｃ、テーブルデータ数拡張値P＝７４００００、データ取り出し間隔拡張値Ｍ＝１９９８０(初期値)の場合、図７のステップＳ５１を経ることによって、第１サイクルにて、第３カウンタのカウンタ値(第３カウンタ値Ｑ)は０から７１９２８０まで１９９８０ずつ増大する。
この過程で、データ取り出し番号は、０から１９４４０まで５４０ずつ増大し、３７回の全てのデータの取り出しが、データ取り出し間隔Ｔ１＝５４０で行なわれることになる。
【００６５】
次に第２サイクルにて、図５のステップＳ４４を経てデータ取り出し間隔拡張値Ｍが１９９８１となることによって、第３カウンタ値Ｑは７３９２６１となり、次に図７のステップＳ５１を経ることによって、第３カウンタ値Ｑは一旦、７５９２４２となるが、テーブルデータ数拡張値P＝７４００００を越えることとなって、ステップＳ５３を経て１９２４２となる。
第１サイクルから第２サイクルにかけて、データ取り出し番号Ｒは０から１９９８０まで５４０ずつ増大した後、前述の如く第３カウンタ値が１９２４２になったとき、データ取り出し番号Ｒは５２０となり、サインテーブルを折り返すこととなって、データ取り出し間隔Ｔ１＝５４０が維持される。
【００６６】
その後、第２サイクルでは、第３カウンタ値Ｑは１９２４２から７１８５７７まで１９９８１ずつ増大する。これによって、データ取り出し番号Ｒが５２０から１８８８０まで５４０ずつ増大した後、第３カウンタ値Ｑが７１８５７７になることによりデータ取り出し番号Ｒが１９４２１となって、データ取り出し間隔はＴ２＝５４１に桁上りすることなる。
この様にして、第２サイクルでは、３７回のデータ取り出しにおいて、最後の１回だけ、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しが行なわれることになる。
【００６７】
第２サイクルから第３サイクルにかけて、第３カウンタ値Ｑは７１８５７７から、図７のステップＳ５１を経て７３８５５９となり、これよってデータ取り出し番号Ｒは、１９４２１から１９９６１となって、データ取り出し間隔はＴ１＝５４０に戻ることなる。
その後、第３サイクルでは、第３カウンタ値Ｑが、ステップＳ５３を経て７３８５５９から１８５４１となった後、ステップＳ５１にてデータ取り出し間隔拡張値Ｍ＝１９９８２が加算されて、７１７９１１まで増大することになる。この過程で、第３カウンタ値Ｑが３３８２５３から３５８２３５に変化することによって、データ取り出し番号が９１４１から９６８２に変化し、データ取り出し間隔がＴ２＝５４１に桁上りすることになる。又、最後に第３カウンタ値Ｑが６９７９２９から７１７９１１になることによって、データ取り出し番号Ｒが１８８６２から１９４０３となって、データ取り出し間隔がＴ２＝５４１に桁上りすることなる。
この様にして、第３サイクルでは、３７回のデータ取り出しにおいて、中間と最後の２回だけ、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しが行なわれることになる。
【００６８】
以後、同様にして、サイクルを重ねる度に、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しの回数が増えて、最終的に第３７サイクルでは、３７回の全てのデータの取り出しが、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１で行なわれることになる。
【００６９】
上述のサインテーブルからのデータ取出し手続きにおいては、サインテーブルのデータ数が倍率Ｏを乗算した数(テーブルデータ数拡張値Ｐ＝７４００００)だけ存在すると仮定し、この仮想のサインテーブルから順次データを取り出す場合の間隔(データ取り出し間隔拡張値Ｍ)をサイクル毎に１ずつ変化させて、データ取り出し番号を第３カウンタ値Ｑによって表わし、その後、第３カウンタ値Ｑを倍率Ｏで除算して、実際のサインテーブルからのデータ取り出し番号に換算する。この際、整数化処理に伴う桁上りを利用して、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しを発生させると共に、データ取り出し間隔拡張値Ｍを変化させることによって、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータの取り出し回数をサイクル毎に１回ずつ増大させているのである。
【００７０】
上記手続きによれば、駆動周波数が目標周波数(共振周波数)に到達するまで、上記の例では、６０.００００Ｈｚから６０.１０００Ｈｚまで、最小分解能(０.００２７Ｈｚ)による滑らかな周波数の変更が行なわれるので、周波数の変更に伴うリニアモータ駆動電力の変動幅は微少となり、この結果、従来の如く電流ゲインを削減することなく、ピストンの衝突を回避することが出来る。
【００７１】
図６は、図５の手続きに代えて採用することが出来る他の制御手続きを表わしている。
図６の制御手続きにおいては、上述のステップＳ２１、Ｓ２２を経た後、ステップＳ２３にて、第２カウンタ(図示省略)のカウント値をインクリメントし、ステップＳ２４において第２カウンタのカウント値が設定値(３００)に到達したか否かが判断される。 ステップＳ２４において第２カウンタのカウント値が設定値に到達したと判断された場合は、ステップＳ２５に移行し、電流指令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相差が許容値以内であるか否かが判断される。
ステップＳ２５にて許容値以内でないと判断された場合は、ステップＳ２６に移行し、前記位相差が第１の超過判断基準▲１▼を越えているか否かが判断され、ここでノーと判断されたときは、更にステップＳ２７にて、前記位相差が前記第１の超過判断基準▲１▼よりも小さな第２の超過判断基準▲２▼を越えているか否かが判断される。
【００７２】
ステップＳ２７にてノーと判断されたときは、ステップＳ２８に移行して、ピストンの駆動周波数を最小分解能だけ変更するための手続き、具体的には周波数を増大させるときは前記データ取り出し間隔拡張値に１を加算し、周波数を減少させるときには前記データ取り出し間隔拡張値から１を減算して、データ取り出し間隔拡張値を更新する手続きが実行される。
【００７３】
次にステップＳ２９において第２カウンタのカウント値がリセットされる。ステップＳ２１にて位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了していないと判断された場合は、ステップＳ２２〜Ｓ２９は実行されない。ステップＳ２４において第２カウンタのカウント値が設定値に到達していないと判断された場合は、ステップＳ２５〜Ｓ２９は実行されない。
【００７４】
ステップＳ２６にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３２に移行して、周波数の変更量を大きな値(例えば０.０３Ｈｚ)に設定して、周波数の制御・設定を実行した後、更にステップＳ３３にて、電流指令値の振幅ゲインを所定値(例えば５％)だけ削減して、ステップＳ２９に移行する。又、ステップＳ２７にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３０に移行して、周波数の変更量を小さな値(例えば０.１５Ｈｚ)に設定して、周波数の制御・設定を実行した後、ステップＳ３３にて、電流指令値の振幅ゲインを所定値(例えば３０％)だけ削減して、ステップＳ２９に移行する。
【００７５】
図６の手続きによれば、電流と速度の位相差が許容値以内に収まった時点で、即ち、周波数がほぼ共振周波数となったとき、周波数変更処理は中止されることになる。又、電流と速度の位相差が超過判断基準▲１▼若しくは▲２▼を越えた場合、即ち現在の駆動周波数が共振周波数から大きくずれている場合には、周波数の変更と共に、電流指令値のゲインの削減が行なわれるため、ピストンの衝突が確実に回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリニアコンプレッサーの駆動制御装置の構成を表わすブロック図である。
【図２】駆動制御装置を構成する制御回路のブロック図である。
【図３】リニアコンプレッサーの構造を表わす断面図である。
【図４】制御回路の制御手続きの前半を表わすフローチャートである。
【図５】同上手続きの後半を示すフローチャートである。
【図６】図５に示す手続きに代えて採用されるべき手続きのフローチャートである。
【図７】位置指令値生成のための具体的な手続きを示すフローチャートである。
【図８】本発明における周波数変更の原理を説明する波形図である。
【図９】本発明における周波数変更の具体例を説明する波形図である。
【図１０】サインテーブルを示す図表である。
【符号の説明】
(１) リニアコンプレッサー
(２) 駆動制御装置
(３) モータドライバー
(４) 変位センサー
(41) ＭＲ素子
(５) 制御回路
(20) リニアモータ
(11a)(11b) シリンダー
(12a)(12b) ピストン
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータによって往復出力部を往復駆動するリニアモータ駆動往復機構の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷蔵庫の如き冷却装置においては、膨張した冷媒ガスを圧縮する装置として、リニアモータによってシリンダー内でピストンを往復駆動してガスの圧縮を行なうリニアコンプレッサーの開発が進められている(例えば特開平１１−３２４９１１号参照)。
【０００３】
リニアコンプレッサーにおいては、ピストンが上死点に達したときのピストンヘッドとシリンダー上壁の間隙(トップクリアランス)が小さい程、高い体積効率が得られるので、変位センサーによってピストンの位置を検知し、該検知信号に基づいて、トップクリアランスが例えば１００μｍとなる様、リニアモータのフィードバック制御が行なわれる。
変位センサーとしては例えば、ＭＲセンサー、差動トランス、レーザ変位計等を採用することが可能である。
【０００４】
具体的には、リニアモータのフィードバック制御において、ピストンの目標位置に応じて位置指令値が生成され、位置センサーによって検出されたピストンの現在位置と、前記生成された位置指令値とに基づいて、リニアモータに供給する駆動電流の指令値が生成され、生成された電流指令値に応じた駆動電流によってリニアモータが駆動される。
【０００５】
又、ピストンを共振周波数で駆動することが効率の点で有利となるため、ピストンの振動の数百サイクル毎に共振周波数を算出し、ピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける制御が実行される。
但し、ピストンの駆動周波数が共振周波数に近づくと、ピストンの駆動に必要な電力が減少するため、一時的に過大な駆動電流がリニアモータに供給されることになり、この結果、ピストンが上死点や下死点にて目標位置をオーバーして、シリンダー上壁に衝突する虞れがある。
そこで従来は、ピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける際に、電流指令値を算出する際のゲイン(電流ゲイン)を数％減少させて、ピストンのオーバーストロークを回避している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如くピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける際に一律に電流ゲインを数％減少させる制御では、特に現在の駆動周波数と共振周波数の差が小さい場合、ピストンのストロークが本来のストロークよりも小さくなる問題があった。
電流ゲインを減少させることなくピストンのオーバーストロークを回避するためには、ピストンの駆動周波数を共振周波数に近づける際の周波数の最小変更単位を出来るだけ小さく設定することが有効である。これによって、周波数を変更する際のピストンの駆動に必要な電力の変動幅を小さく抑えることが出来るため、オーバーストロークの発生を回避することが出来る。
【０００７】
ところが、駆動周波数の最小変更単位は、ピストンの位置指令値を生成する際に用いるサインテーブルのデータ量(分解能)に依存し、サインテーブルのデータ量は、データの格納に利用出来るメモリの容量によって制約されるため、メモリの容量を増大させない限り、周波数の最小変更単位をより小さくすることは出来ない。
【０００８】
例えば、サインテーブルには、図１０に示す様に、ピストンの振動の４分の１周期分の波形を規定する５０００個のデータ(Ｎｏ.０〜Ｎｏ.４９９９)が書き込まれており、制御周期が４５０μｓｅｃの場合、ピストンの駆動周波数を６０Ｈｚに制御するためには、サインテーブルからは５４０個のデータ取り出し間隔で離散的にデータを取り出す必要がある。この場合、例えば駆動周波数を上げるためにデータ取り出し間隔を最小単位の１だけ増大させて５４１個とすると、駆動周波数は６０.１Ｈｚに上がることになる。即ち、駆動周波数の最小変更単位は０.１Ｈｚとなり、それよりも小さな幅で駆動周波数を変化させることは出来ない。
この様な大きな幅で駆動周波数を変化させると、上述の如くピストンの駆動に必要な電力が一度に大きく変化するため、オーバーストローク発生の可能性が高くなる。
【０００９】
そこで本発明の目的は、メモリの容量を現状に維持したままで、駆動周波数の最小変更単位を小さくすることが出来るリニアモータ駆動往復機構の制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係るリニアモータ駆動往復機構の制御装置は、
往復出力部の現在位置を検出するための位置検出手段と、
往復出力部に対する位置指令値を生成する位置指令値生成手段と、
検出された現在位置と、生成された位置指令値とに基づいて、リニアモータを制御するモータ制御手段
とを具えている。
【００１１】
ここで、前記位置指令値生成手段は、往復出力部の現在の駆動周波数を目標の駆動周波数に向けて変更する過程で、往復出力部の１往復動毎に、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数の存在比率を変化させながら、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数が混在する合成波形に基づいて、位置指令値を生成するものである。
【００１２】
上記本発明の制御装置によれば、図８に示す如く現在の駆動周波数ａＨｚ(例えば６０.０００Ｈｚ)を目標の駆動周波数ｂＨｚ(例えば６０.１００Ｈｚ)に変更する場合、往復出力部の複数回の往復動によって、徐々に駆動周波数の変更を行なう。即ち、現在の駆動周波数を実現している波形では、ａＨｚの波形の存在比率が１００％で、ｂＨｚの波形の存在比率が０％であるが、これを最終的に、ａＨｚの波形の存在比率が０％で、ｂＨｚの波形の存在比率が１００％の波形に変化させて、目標の駆動周波数ｂＨｚを実現する場合、図示の如く、１往復動毎に、ａＨｚの波形の存在比率を９９％、９８％、…１％と徐々に減少させる一方、ｂＨｚの波形の存在比率を１％、２％、…９９％と徐々に増大させる。この様に２つの波形の存在比率を変化させるためには、ａＨｚの波形の一部をｂＨｚの波形の一部で置き換えて、合成波形を生成すればよい。
【００１３】
これによって、ａＨｚの波形の存在比率が９９％で、ｂＨｚの波形の存在比率が１％の場合、この１往復動における周波数は６０.００１Ｈｚとなる。次に、ａＨｚの波形の存在比率が９８％で、ｂＨｚの波形の存在比率が２％の場合、この１往復動における周波数は６０.００２Ｈｚとなる。この様にして、周波数が０.００１Ｈｚずつ変化して、最終的に６０.１００Ｈｚに達するのである。
【００１４】
従って、図８の例では、駆動周波数の最小変更単位は０.００１Ｈｚとなり、従来の最小変更単位である０.１Ｈｚと比べて、１００分の１の小さな値となる。
この様に現在の駆動周波数から目標の駆動周波数に向かって、従来よりも小さな周波数変更単位で徐々に周波数を変更することによって、往復出力部の駆動に必要な電力の変動幅を小さく抑えることが出来るため、オーバーストロークの発生を回避することが出来る。
【００１５】
尚、現在の駆動周波数から目標の駆動周波数に向かって徐々に周波数を変更する動作は、当初の目標駆動周波数に達するまで継続することによって、周波数の変更を滑らかに行なうことが出来る。
これに対し、現在の駆動周波数から目標駆動周波数に向かって徐々に周波数を変更する動作は、その途中で、目標駆動周波数の更新によって目標駆動周波数が達成されたときに中止することも可能である。
【００１６】
具体的構成において、前記位置指令値生成手段は、
サイン波形を一連のデータ列として表わしたサインテーブルと、
サインテーブルから一定の周期で順次データを離散的に取り出しつつ、取り出したデータに基づいて、往復出力部の位置指令値を作成するデータ処理手段と、往復出力部の現在の駆動周波数を目標の駆動周波数に向けて変更する際、往復出力部の１往復動に必要な複数のデータをサインテーブルから取り出す動作において、現在の駆動周波数を決定している第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、目標の駆動周波数を達成することが出来る第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ向けて、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を徐々に増加させるデータ取り出し制御手段
とを具えている。
【００１７】
該具体的構成を具えた制御装置によれば、現在の駆動周波数を決定している第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作によって、現在の駆動周波数の波形の存在比率が１００％の波形に基づいて位置指令値が作成され、最終的に第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出した場合は、目標の駆動周波数の波形の存在比率が１００％の波形に基づいて位置指令値が作成されることになる。又、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を徐々に増加させる過程では、現在の駆動周波数の波形と目標の駆動周波数の波形の存在比率が変化する合成波形に基づいて、位置指令値が作成されることになる。
【００１８】
具体的構成において、サインテーブルには、サイン波形の４分の１周期分のデータが規定されており、データ処理手段は、前記４分の１周期分のデータに基づいて、残りの４分の３周期分のデータを導出する。
これによって、サインテーブルを格納するためのメモリの容量が節約される。
【００１９】
又、具体的構成において、前記位置指令値生成手段は、データ取り出し制御手段によって設定された第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作に移行するまで、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させる処理を続行する。
これによって、現在の駆動周波数から目標の駆動周波数まで、滑らかな周波数変更を行なうことが出来る。
【００２０】
他の具体的構成において、前記位置指令値生成手段は、データ取り出し制御手段によって設定された第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、目標の駆動周波数を達成することが出来る第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ移行する途中で、目標駆動周波数が達成されたとき、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させる処理を中止する。
これによって、周波数変更の途中で目標駆動周波数が変動した場合に、目標駆動周波数が迅速に実現されることになる。
【００２１】
更に具体的構成において、データ取り出し制御手段は、第１のデータ取り出し間隔Ｔ１で全てのデータを取り出す動作から、第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を徐々に増加させるべく、
サインテーブルに規定されているデータに基づいて導出されるべき１周期分のデータの数をテーブルデータ数Ｎとして、該テーブルデータ数Ｎに整数の倍率Ｏを乗算して、テーブルデータ数拡張値Ｐを算出する手段と、
第１のデータ取り出し間隔Ｔ１に前記倍率Ｏを乗算して、データ取り出し間隔拡張値Ｍの初期値を算出すると共に、第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を増加させんとする度に、データ取り出し間隔拡張値Ｍを単位量だけ変化させて更新する手段と、
第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を増加させんとする度に、データ取り出し間隔拡張値Ｍだけカウンタ値Ｑが増大されるカウンタ手段と、
カウンタ手段のカウンタ値Ｑがテーブルデータ数拡張値Ｐ以上の値となったか否かを判断する手段と、
前記判断手段がイエスと判断したとき、カウンタ手段のカウンタ値Ｑからテーブルデータ数拡張値Ｐを減算して、カウンタ値Ｑを変更する手段と、
カウンタ値Ｑを前記倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号Ｒとして、サインテーブルから順次データを取り出す手段
とを具えている。
【００２２】
上記具体的構成において、カウンタ手段のカウンタ値Ｑにはその初期値０にサイクル毎にデータ取り出し間隔拡張値Ｍを加算する処理が繰り返され、これによって、前記仮想のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られる。
この過程で、カウンタ値Ｑがテーブルデータ数拡張値Ｐ以上となったときは、カウンタ値Ｑからテーブルデータ数拡張値が減算されて、サインテーブルから１周期分のデータを繰り返し読み出す際の折り返し処理が行なわれる。
この様にして得られるカウンタ値Ｑを倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号Ｒとすることより、実際のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られる。ここで、カウンタ値Ｑの増大に伴ってデータ取り出し番号は一定値ずつ増大することになるが、除算に伴う切り捨て処理で桁上りを生じることによって、データ取り出し番号は前記一定値よりも１だけ大きな値に増大することになる。この桁上りの回数は、データ取り出し間隔拡張値Ｍの変化に伴って、１サイクル毎に１回ずつ増加する。
従って、前記のデータ取り出し番号に基づいてサインテーブルからデータを取り出す手続きを繰り返すことによって、第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ向けて、１サイクル毎に、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させることが出来る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係るリニアモータ駆動往復機構の制御装置によれば、メモリの容量やＣＰＵの能力を現状に維持したままで、駆動周波数の最小変更単位を小さくすることが出来る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリニアコンプレッサに実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係るリニアコンプレッサー(１)は、図３に示す如く、円筒状のケーシング(10)の上端部及び下端部の夫々に設けられた一対のシリンダー(11a)(11b)と、シリンダー(11a)(11b)内に夫々嵌挿された一対のピストン(12a)(12b)とを具え、ピストン(12a)(12b)のヘッドとシリンダー(11a)(11b)の上壁の間には、一対の圧縮室(13a)(13b)が形成されている。又、各シリンダー(11a)(11b)には、圧縮室(13a)(13b)内のガス圧に応じて開閉する吸入バルブ(14a)(14b)と吐出バルブ(15a)(15b)が取り付けられている。
【００２５】
一対のピストン(12a)(12b)は夫々、１本のロッド(16)の一方の端部及び他方の端部に連結されており、該ロッド(16)は、一対の軸受け(17a)(17b)及びコイルばね(18a)(18b)によって、ケーシング(10)及びシリンダー(11a)(11b)内を往復動自在に支持されている。
【００２６】
また、リニアコンプレッサー(１)は、ピストン(12a)(12b)を往復駆動するためのリニアモータ(20)を具えている。該リニアモータ(20)はボイスコイルモータであって、ヨーク部(10a)及び永久磁石(21)を含む固定部と、コイル(23)及び円筒状の支持部材(24)を含む可動部とを具えている。ヨーク部(10a)は、ケーシング(10)の一部を構成している。永久磁石(21)は、ヨーク部(10a)の内周壁に固定されている。
支持部材(24)の一方の端部は、永久磁石(21)と本体胴部(12)外周壁との間の円筒状空間に遊挿され、他方の端部はロッド(16)の中央部に連結されている。コイル(23)は、支持部材(24)の前記一方の端部に取り付けられ、永久磁石(21)に対向している。
【００２７】
ロッド(16)の中央に突設したアーム(160)には、Ｎ極とＳ極が一定ピッチで交互に着磁されたマグネット板(42)が固定される一方、ケーシング(10)の内面に形成した突部(100)には、マグネット板(42)に対向して、ＭＲ素子(41)が取り付けられ、ＭＲ素子(41)及びマグネット板(42)によって変位センサー(４)が構成されている。該変位センサー(４)は、変位に応じたＡ相及びＢ相の出力と、ロッド(16)が一対のピストン(12a)(12b)の原点位置に達したときのＺ相の出力を有している。
【００２８】
上記リニアコンプレッサー(１)は、ピストン(12a)(12b)、ロッド(16)、コイル(23)、及び支持部材(24)の質量、圧縮室(13a)(13b)のガスのばね定数、コイルばね(18)のばね定数等から決まる共振周波数を有しており、該共振周波数は、通常、商用電力の周波数（例えば６０Ｈｚ）付近に設定される。この共振周波数でリニアモータ(20)を駆動することにより、高い効率にて、上下一対の圧縮室(13a)(13b)内で交互にガスを圧縮することが出来る。
【００２９】
図１に示す如く、リニアコンプレッサー(１)には、モータドライバー(３)、制御回路(５)及びセンサー信号処理回路(６)からなる駆動制御装置(２)が接続されている。モータドライバー(３)は、リニアコンプレッサー(１)のリニアモータに駆動電流Ｉを供給するものである。又、制御回路(５)は、ＣＰＵ、メモリ等からなるマイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵによる制御周期は１５０μｓｅｃである。
【００３０】
リニアコンプレッサー(１)のピストンの変位に応じて変位センサー(４)から出力される正弦波のセンサー信号Ｓは、センサー信号処理回路(６)に供給されて、方形波に変換された後、該方形波の個数がカウントされ、該カウント値に基づいて、ピストンの変位を表わす位置データＰａが作成され、制御回路(５)に供給される。尚、前記カウント値は、変位センサー(４)から得られるＺ相の信号に基づいてリセットされ、これによって、位置データＰａは、ピストンの原点位置を零点とする変位を表わすことになる。ここで、方形波のカウントは、制御回路(５)に設けたカウンタによって行なう構成も採用可能である。
制御回路(５)は、センサー信号処理回路(６)からの位置データＰａに応じて制御信号φｃを作成し、該信号をモータドライバー(３)へ出力して、出力電流Ｉを制御する。
【００３１】
図２は、図１に示す制御回路(５)の構成を表わしている。
図示の如く制御回路(５)は、位置指令値生成部(30)、位置・速度制御部(31)、電流指令値生成部(32)、位置・速度検出部(33)、上下死点検出部(34)、電流・速度位相差検出部(35)、電流ゲイン制御部(36)、振幅中立位置制御部(37)、及び周波数制御部(38)から構成されている。
【００３２】
位置・速度検出部(33)は、センサー信号処理回路(６)から位置データＰａを取り入れて、これを位置現在値Ｐｎｏｗとすると共に、位置現在値Ｐｎｏｗを微分して速度現在値Ｖｎｏｗを求める。
【００３３】
上下死点検出部(34)は、位置・速度検出部(33)から得られる一連の位置現在値Ｐｎｏｗに基づいて、ピストン(12a)(12b)の上死点と原点の間の上死点側振幅、及び下死点と原点の間の下死点側振幅を検出する。上死点側振幅及び下死点側振幅の検出は、位置指令Ｐｒｅｆの１サイクルが終了する度に、即ち位置指令Ｐｒｅｆがゼロクロス点(−→＋)を通過する度に行なわれる。
【００３４】
電流・速度位相差検出部(35)は、位置・速度検出部(33)で生成された位置現在値Ｖｎｏｗと電流指令値生成部(32)で生成された電流指令値Ｉｒｅｆとの位相差を検出する。この位相差は、現在の駆動周波数と共振周波数のずれに応じた値となる。尚、位相差の検出は、位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了する度に、即ち位置現在値Ｐｎｏｗがゼロクロス点(−→＋)を通過する度に行なわれる。
【００３５】
周波数制御部(38)は、電流・速度位相差検出部(35)によって検出された位相差が予め定められた許容値を越えているかどうかを判断し、越えている場合は位相差がなくなるように、即ち共振周波数が得られる様に、位置指令値生成部(30)で用いられる角周波数ωを補正し、補正後の角周波数ωを目標駆動周波数として位置指令値生成部(30)へ供給する。
尚、目標駆動周波数の達成によって、ピストン(12a)(12b)の駆動に必要な電力は減少するが、後述の如く、電力の変動幅は十分に小さいため、ピストン(12a)(12b)のヘッドがシリンダー(11a)(11b)の上壁に衝突する虞れはない。
【００３６】
振幅中立位置制御部(37)は、上下死点検出部(34)で検出された上死点側振幅と下死点側振幅とを比較し、両振幅の差が小さくなるように位置指令値生成部(30)で用いられるシフト量Ｂを位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了する度に制御する。即ち振幅中立位置制御部(37)は、上死点側振幅の方が下死点側振幅よりも大きい場合はシフト量Ｂを負側（下方向）に補正し、上死点側振幅の方が下死点側振幅よりも小さい場合はシフト量Ｂを正側（上方向）に補正する。通常、シフト量Ｂはバルブの非対称性等の装置の特性によりほぼ一定になるため、シフト量Ｂの１回あたりの制御量は小さな値（例えば１μｍ）に設定されている。このようにシフト量Ｂを制御することにより、一対のピストン(12a)(12b)のトップクリアランスを同じ値に精度よく制御することができる。
【００３７】
位置指令値生成部(30)は、メモリに格納されたサインテーブルと、振幅Ａと、角周波数ωと、シフト量Ｂと、式Ｐｒｅｆ＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ（正弦関数）とに基づいて位置指令値Ｐｒｅｆを生成し、生成した位置指令値Ｐｒｅｆを位置・速度制御部(31)に与える。尚、サインテーブルには、図１０に示す如く、サイン波形の４分の１周期分に相当する５０００個のデータ(Ｎｏ.０〜Ｎｏ.４９９９)が規定されており、残りの４分の３周期分のデータは、前記４分の１周期分のデータに基づいて導出されるが、以下の説明では、便宜上、１周期分の２００００個のデータをサインテーブルから取り出すものとして説明する。
【００３８】
位置指令値Ｐｒｅｆの生成に際し、位置指令値生成部(30)は、サインテーブルから一定の周期(４５０μｓｅｃ)で順次データを離散的に取り出す。このときのデータの取り出し間隔によって、駆動周波数が決まることになる。
そして、駆動周波数を変更するときのデータ取り出し間隔は、周波数制御部(38)から得られる目標駆動周波数(角周波数ω)に基づいて、次の様にして決定される。
即ち、現在の駆動周波数が共振周波数から許容値を越えてずれている場合、共振周波数を実現するべく、ピストンの１往復動に必要な２００００個のデータをサインテーブルから取り出す動作において、現在の駆動周波数(例えば６０Ｈｚ)を決定している第１のデータ取り出し間隔(例えば５４０)で全てのデータを取り出す動作から、ピストンの１往復動毎に、データの取り出し回数を１回ずつ増加させる。これによって、駆動周波数について最小分解能が達成される。そして、このデータ取り出し間隔でサインテーブルから取り出したデータに基づいて、位置指令値Ｐｒｅｆを生成するのである。尚、位置指令値生成部(30)による具体的な位置指令値生成手続きについては後述する。
【００３９】
図９は、現在の駆動周波数６０.００００Ｈｚから目標の駆動周波数６０.１０００Ｈｚへ周波数を変更する過程を表わしている。ここで、サインテーブルから１周期分の２００００個のデータを順次取り出す動作において、１振動分を全て５４０のデータ取り出し間隔で行なう動作から、１周期分を全て５４１のデータ取り出し間隔で行なう動作へ向けて、５４１のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数が１サイクル毎に１回ずつ増加され、３７サイクル目で目標周波数が達成される。例えば、第２サイクルでは、データ取り出し間隔５４１によるデータの取り出しが１回だけ行なわれ、第３サイクルでは、データ取り出し間隔５４１によるデータの取り出しが２回行なわれ、更に目標周波数達成直前の第３６サイクルでは、５４１のデータ取り出し間隔によるデータの取り出しが３６回行なわれる。この様にして、１サイクル毎に、現在の駆動周波数６０.００００Ｈｚと目標の駆動周波数６０.１０００Ｈｚの存在比率を変化させながら、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数が混在する波形に基づいて、位置指令値Ｐｒｅｆが生成される。
この結果、駆動周波数について最小分解能０.００２７Ｈｚが実現されることになる。
【００４０】
図２の位置・速度制御部(31)は、位置指令値生成部(30)で生成された位置指令値Ｐｒｅｆと位置・速度検出部(33)で生成された位置現在値Ｐｎｏｗと偏差Ｐｒｅｆ−Ｐｎｏｗに基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを生成し、更に速度指令値Ｖｒｅｆと位置・速度検出部(33)で生成された速度現在値Ｖｎｏｗとの偏差Ｖｒｅｆ−Ｖｎｏｗに基づいて速度制御値Ｖｃを生成する。
【００４１】
電流ゲイン制御部(36)は、上下死点検出部(34)で検出された上死点側振幅と下死点側振幅とを比較し、上死点側振幅及び下死点側振幅のうちのいずれか大きい方を最大振幅現在値Ａｎｏｗとし、この最大振幅現在値Ａｎｏｗが予め定められた最大振幅目標値Ａｒｅｆに一致するように電流指令値生成部(32)で用いられる電流ゲインＧｉの値をピストン(12a)(12b)の振動の１サイクルごとに制御する。
【００４２】
又、電流ゲイン制御部(36)は、ピストン(12a)(12b)の往復動の数百（例えば３００）サイクルに１回、電流・速度位相差検出部(35)で検出された位相差が予め定められた許容値を越えているかどうかを判断し、越えている場合は更に、位相差が所定の超過判断基準を越えているかどうかを判断し、越えている場合は、電流指令値生成部(32)で用いられる電流ゲインＧｉの値を所定値だけ減少させる。尚、位相差が所定の許容値を越えているが、所定の超過判断基準を越えていない場合は、電流ゲインを減少させることなく、位置指令値生成部(30)による最小分解能での周波数変更処理が実行される。
【００４３】
電流指令値生成部(32)は、位置・速度制御部(31)で生成された速度制御値Ｖｃと、電流ゲインＧｉと、式Ｉｒｅｆ＝Ｇｉ×Ｖｃとに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを生成し、更に電流指令値Ｉｒｅｆを制御信号φｃに変換してモータドライバー(３)に与える。モータドライバー(３)の出力電流Ｉの制御は、例えばＰＷＭ方式で行なわれる。
【００４４】
上記制御回路(５)においては、先ず位置指令値生成部(30)で位置指令値Ｐｒｅｆが生成され、位置・速度制御部(31)で速度制御値Ｖｃが生成され、位置・速度制御部(31)で制御信号φｃが生成される。モータドライバー(３)からリニアモータ(20)のコイル(23)に電流が供給されると、リニアモータ(20)の可動部が往復運動を開始して、ガスの圧縮が開始される。
【００４５】
次に、図４〜図７に示すフローチャートに基づいて、図１及び図２に示す制御回路(５)の具体的な制御手続きを説明する。
具体的制御手続きにおいては、サインテーブルが仮に、実際のデータ数に所定倍率を乗算したデータ数を有しているものとした場合において、この仮想のサインテーブルから順次データを取り出すときのデータ取り出し間隔を算出し、その結果を、実際のサインテーブルから順次データを取り出すときのデータ取り出し間隔に換算するという手続きが採用されている。
【００４６】
先ず図４のステップＳ０では、下記数１に基づいて、データ取り出し間隔拡張値が算出される。
【数１】
ここで、テーブルデータ数は、サインテーブルから取り出されるサイン波形１周期分のデータの数であって、本実施例では２００００個である。倍率は、周波数についての分解能(微細化率)であって、本実施例の場合は３７である。又、位置データ取り出し周期は、ＣＰＵの制御周期(サンプリング時間)である１５０μｓｅｃの任意の整数倍、本実施例では、制御周期に後述の第１カウンタの設置値：３を乗算した値：４５０μｓｅｃに設定される。従って、テーブルデータ数拡張値は７４００００となる。又、現在の駆動周波数を６０Ｈｚとすると、データ取り出し間隔拡張値は１９９８０となる。
【００４８】
次に、ステップＳ１では、位置・速度検出部(33)によって位置データＰａの読み込みが行なわれ、ステップＳ２では、位置・速度検出部(33)によって位置現在値Ｐｎｏｗ及び速度現在値Ｖｎｏｗが算出される。
ステップＳ３では、位置・速度制御部(31)によって速度制御が行なわれる。即ち、位置・速度制御部(31)は、速度指令値Ｖｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗとの偏差に基づいて速度制御値Ｖｃを生成し電流指令値生成部(32)に与える。
【００４９】
ステップＳ４では、電流指令値生成部(32)によって速度制御値Ｖｃと電流ゲインＧｉの積である電流指令値Ｉｒｅｆが生成され、ステップＳ５において電流指令値生成部(32)から電流指令値Ｉｒｅｆに応じた電流指令データ即ち制御信号φｃがモータドライバー(３)に出力される。
ステップＳ６にて、制御回路(５)に含まれる第１カウンタ（図示せず）のカウント値がインクリメント（＋１）され、ステップＳ７において第１カウンタのカウント値が設定値（本実施例では３）に到達したか否かが判断される。
【００５０】
ステップＳ７にて第１カウンタのカウント値が設定値に到達していた場合は、ステップＳ８に移行し、位置指令値生成部(30)において位置補正量及び周波数設定値に基づいて振幅Ａ及び角周波数ωが生成され、更に、サインテーブルのデータ、振幅Ａ、シフト量Ｂ及び角周波数ωに基づいて、位置指令値Ｐｒｅｆ＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂが生成される。尚、位置指令値Ｐｒｅｆの生成において、サインテーブルからデータを取り出すための具体的な手続きについては図７に基づいて後述する。
【００５１】
続いて、図４のステップＳ９では、位置・速度制御部(31)によって位置制御が行なわれる。即ち位置・速度制御部(31)は、位置指令値Ｐｒｅｆと位置現在値Ｐｎｏｗの偏差に基づいて速度指令値Ｖｒｅｆを生成する。位置制御が終了した後、ステップＳ１０にて第１カウンタのカウント値がリセットされる。
【００５２】
ステップＳ７において第１カウンタのカウント値が設定値に到達していない場合は、ステップＳ８〜Ｓ１０は実行されない。
次に、ステップＳ１１にて位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了したか否かが判断される。この判断は、位置現在値が負の値から正の値にゼロクロスしたかどうかの判断に代えることも可能である。
【００５３】
ステップＳ１１において位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了したと判断した場合はステップＳ１２に移行し、上下死点検出部(34)によって、位置・速度検出部(33)から得られる位置現在値Ｐｎｏｗの最大値及び最小値に基づいて、ピストン(12a)(12b)の上死点側振幅及び下死点側振幅が算出される。
ステップＳ１３において上死点側振幅と下死点側振幅の大小関係が比較され、上死点側振幅の方が下死点側振幅より大きい場合は、ステップＳ１４に移行し、振幅中立位置制御部(37)によってシフト量Ｂの補正量として負の補正量が設定され、ステップＳ１５では、最大振幅現在値Ａｎｏｗとして上死点側振幅が設定される。
【００５４】
ステップＳ１３における大小比較の結果、下死点側振幅の方が上死点側振幅より大きい場合は、ステップＳ１６に移行し、振幅中立位置制御部(37)によってシフト量Ｂの補正量として正の補正量が設定され、ステップＳ１７では、最大振幅現在値Ａｎｏｗとして下死点側振幅が設定される。
ステップＳ１８において電流ゲイン制御部(36)によって最大振幅現在値Ａｎｏｗが最大振幅目標値Ａｒｅｆに一致するように電流ゲインＧｉが制御、設定された後、ステップＳ１９に移行し、上下死点検出部(34)において位置現在値Ｐｎｏｗの最大値及び最小値がリセットされる。
【００５５】
ステップＳ１１にて位置指令値Ｐｒｅｆの１サイクルが終了しなかったと判断した場合は、ステップＳ１２〜Ｓ１９は実行されない。
次にステップＳ２０では、上下死点検出部(34)において位置現在値Ｐｎｏｗの最大値及び最小値の検出・保持が行なわれる。
【００５６】
その後、図５のステップＳ２１に移行し、位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了したか否かが判断される。この判断は、位置現在値が負の値から正の値にゼロクロスしたかどうかの判断に代えることも可能である。
ステップＳ２１にて位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了したと判断された場合は、ステップＳ２２に移行し、電流・速度位相差検出部(35)によって電流指令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相差が検出される。
【００５７】
次に、ステップＳ３５では、周波数制御処理フラグＦＬＡＧがＯＮ(オン)となっているか否かが判断され、ここでノーと判断されたときはステップＳ３６に移行して、第２カウンタ(図示省略)のカウント値をインクリメントし、ステップＳ３７では第２カウンタのカウント値が設定値(３００)に到達した否かが判断される。
ステップＳ３７にて第２カウンタのカウント値が設定値に到達したと判断された場合は、ステップＳ３８に移行し、電流指令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相差が許容値以内であるか否かが判断される。
【００５８】
ステップＳ３８にて位相差が許容値以内でないと判断されたときは、ステップＳ３９にて周波数処理フラグＦＬＡＧをＯＮとした後、ステップＳ４０では、目標周波数が設定される。
更にステップＳ４１では、周波数を目標周波数に向けて最小分解能だけ変更する手続き、具体的には、周波数を増大させるときは前記データ取り出し間隔拡張値に１を加算し、周波数を減少させるときには前記データ取り出し間隔拡張値から１を減算して、データ取り出し間隔拡張値を更新する手続きが実行される。
その後、ステップＳ４２にて、第２カウンタをリセットする。
【００５９】
前記ステップＳ３７にてノーと判断されたとき、ステップＳ３８〜Ｓ４２は実行されない。又、前記ステップＳ３８にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３９〜Ｓ４１は実行されない。
【００６０】
前記ステップＳ３５にてイエスと判断されたときは、ステップＳ４３に移行して、現在の駆動周波数が目標周波数に到達したか否かが判断される。ここでノーと判断されたときはステップＳ４４にて周波数を最小分解能だけ変更する手続きが実行され、イエスと判断されたときはステップＳ４５にて周波数制御処理フラグＦＬＡＧをＯＦＦ(オフ)とした後、ステップＳ４６に移行する。
そして、ステップＳ４６では、リニアコンプレッサーの運転中止等により制御を終了すべきか否かを判断し、イエスと判断されたときは手続きを終了し、ノーと判断されたときは図４のステップＳ１に戻って、制御を繰り返す。
【００６１】
図７は、図４のステップＳ８で実行される位置指令値生成の際のデータ取り出し手続きであって、前記仮想のサインテーブルから順次データを取り出す場合のデータ取り出し間隔に基づいて、実際のサインテーブルから順次データを取り出す際のデータ取り出し番号を算出する具体的な手続きを表わしている。
【００６２】
先ずステップＳ５１にて、第３カウンタのカウント値(第３カウンタ値)にデータ取り出し間隔拡張値を加算して、第３カウンタ値を更新する。この第３カウンタ値によって、前記仮想のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られる。
続いて、ステップＳ５２にて第３カウンタ値がテーブルデータ数拡張値以上であるか否かが判断され、ここでノーと判断されたときはステップＳ５４へ移行し、イエスと判断されたときは、ステップＳ５３に移行して、第３カウンタ値からテーブルデータ数拡張値を減算して、第３カウンタ値を更新した後、ステップＳ５４へ移行する。この様に、第３カウンタ値からテーブルデータ数拡張値を減算することによって、サインテーブルから１周期分のデータを繰り返し読み出す際の折り返し処理が行なわれる。
【００６３】
ステップＳ５４では、第３カウンタ値を倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号とする。これによって、実際のサインテーブルからデータを取り出す際のデータ取り出し番号が得られることになる。
そして、ステップＳ５５では、算出されたデータ取り出し番号により、サインテーブルからデータを取り出す。尚、４分の１周期分のデータはサインテーブルから直接に取り出すが、残りの４分の３周期のデータは、４分の１周期のデータに基づいて導出する。
【００６４】
図７に示すデータ取り出し手続きを繰り返すことによって、第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、１サイクル毎に、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させることが出来る。
例えば図９に示す例において、前記の如く、テーブルデータ数N＝２００００、倍率O＝３７、位置データ取り出し周期＝４５０μｓｅｃ、テーブルデータ数拡張値P＝７４００００、データ取り出し間隔拡張値Ｍ＝１９９８０(初期値)の場合、図７のステップＳ５１を経ることによって、第１サイクルにて、第３カウンタのカウンタ値(第３カウンタ値Ｑ)は０から７１９２８０まで１９９８０ずつ増大する。
この過程で、データ取り出し番号は、０から１９４４０まで５４０ずつ増大し、３７回の全てのデータの取り出しが、データ取り出し間隔Ｔ１＝５４０で行なわれることになる。
【００６５】
次に第２サイクルにて、図５のステップＳ４４を経てデータ取り出し間隔拡張値Ｍが１９９８１となることによって、第３カウンタ値Ｑは７３９２６１となり、次に図７のステップＳ５１を経ることによって、第３カウンタ値Ｑは一旦、７５９２４２となるが、テーブルデータ数拡張値P＝７４００００を越えることとなって、ステップＳ５３を経て１９２４２となる。
第１サイクルから第２サイクルにかけて、データ取り出し番号Ｒは０から１９９８０まで５４０ずつ増大した後、前述の如く第３カウンタ値が１９２４２になったとき、データ取り出し番号Ｒは５２０となり、サインテーブルを折り返すこととなって、データ取り出し間隔Ｔ１＝５４０が維持される。
【００６６】
その後、第２サイクルでは、第３カウンタ値Ｑは１９２４２から７１８５７７まで１９９８１ずつ増大する。これによって、データ取り出し番号Ｒが５２０から１８８８０まで５４０ずつ増大した後、第３カウンタ値Ｑが７１８５７７になることによりデータ取り出し番号Ｒが１９４２１となって、データ取り出し間隔はＴ２＝５４１に桁上りすることなる。
この様にして、第２サイクルでは、３７回のデータ取り出しにおいて、最後の１回だけ、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しが行なわれることになる。
【００６７】
第２サイクルから第３サイクルにかけて、第３カウンタ値Ｑは７１８５７７から、図７のステップＳ５１を経て７３８５５９となり、これよってデータ取り出し番号Ｒは、１９４２１から１９９６１となって、データ取り出し間隔はＴ１＝５４０に戻ることなる。
その後、第３サイクルでは、第３カウンタ値Ｑが、ステップＳ５３を経て７３８５５９から１８５４１となった後、ステップＳ５１にてデータ取り出し間隔拡張値Ｍ＝１９９８２が加算されて、７１７９１１まで増大することになる。この過程で、第３カウンタ値Ｑが３３８２５３から３５８２３５に変化することによって、データ取り出し番号が９１４１から９６８２に変化し、データ取り出し間隔がＴ２＝５４１に桁上りすることになる。又、最後に第３カウンタ値Ｑが６９７９２９から７１７９１１になることによって、データ取り出し番号Ｒが１８８６２から１９４０３となって、データ取り出し間隔がＴ２＝５４１に桁上りすることなる。
この様にして、第３サイクルでは、３７回のデータ取り出しにおいて、中間と最後の２回だけ、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しが行なわれることになる。
【００６８】
以後、同様にして、サイクルを重ねる度に、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しの回数が増えて、最終的に第３７サイクルでは、３７回の全てのデータの取り出しが、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１で行なわれることになる。
【００６９】
上述のサインテーブルからのデータ取出し手続きにおいては、サインテーブルのデータ数が倍率Ｏを乗算した数(テーブルデータ数拡張値Ｐ＝７４００００)だけ存在すると仮定し、この仮想のサインテーブルから順次データを取り出す場合の間隔(データ取り出し間隔拡張値Ｍ)をサイクル毎に１ずつ変化させて、データ取り出し番号を第３カウンタ値Ｑによって表わし、その後、第３カウンタ値Ｑを倍率Ｏで除算して、実際のサインテーブルからのデータ取り出し番号に換算する。この際、整数化処理に伴う桁上りを利用して、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータ取り出しを発生させると共に、データ取り出し間隔拡張値Ｍを変化させることによって、データ取り出し間隔Ｔ２＝５４１によるデータの取り出し回数をサイクル毎に１回ずつ増大させているのである。
【００７０】
上記手続きによれば、駆動周波数が目標周波数(共振周波数)に到達するまで、上記の例では、６０.００００Ｈｚから６０.１０００Ｈｚまで、最小分解能(０.００２７Ｈｚ)による滑らかな周波数の変更が行なわれるので、周波数の変更に伴うリニアモータ駆動電力の変動幅は微少となり、この結果、従来の如く電流ゲインを削減することなく、ピストンの衝突を回避することが出来る。
【００７１】
図６は、図５の手続きに代えて採用することが出来る他の制御手続きを表わしている。
図６の制御手続きにおいては、上述のステップＳ２１、Ｓ２２を経た後、ステップＳ２３にて、第２カウンタ(図示省略)のカウント値をインクリメントし、ステップＳ２４において第２カウンタのカウント値が設定値(３００)に到達したか否かが判断される。 ステップＳ２４において第２カウンタのカウント値が設定値に到達したと判断された場合は、ステップＳ２５に移行し、電流指令値Ｉｒｅｆと速度現在値Ｖｎｏｗの位相差が許容値以内であるか否かが判断される。
ステップＳ２５にて許容値以内でないと判断された場合は、ステップＳ２６に移行し、前記位相差が第１の超過判断基準▲１▼を越えているか否かが判断され、ここでノーと判断されたときは、更にステップＳ２７にて、前記位相差が前記第１の超過判断基準▲１▼よりも小さな第２の超過判断基準▲２▼を越えているか否かが判断される。
【００７２】
ステップＳ２７にてノーと判断されたときは、ステップＳ２８に移行して、ピストンの駆動周波数を最小分解能だけ変更するための手続き、具体的には周波数を増大させるときは前記データ取り出し間隔拡張値に１を加算し、周波数を減少させるときには前記データ取り出し間隔拡張値から１を減算して、データ取り出し間隔拡張値を更新する手続きが実行される。
【００７３】
次にステップＳ２９において第２カウンタのカウント値がリセットされる。ステップＳ２１にて位置現在値Ｐｎｏｗの１サイクルが終了していないと判断された場合は、ステップＳ２２〜Ｓ２９は実行されない。ステップＳ２４において第２カウンタのカウント値が設定値に到達していないと判断された場合は、ステップＳ２５〜Ｓ２９は実行されない。
【００７４】
ステップＳ２６にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３２に移行して、周波数の変更量を大きな値(例えば０.０３Ｈｚ)に設定して、周波数の制御・設定を実行した後、更にステップＳ３３にて、電流指令値の振幅ゲインを所定値(例えば５％)だけ削減して、ステップＳ２９に移行する。又、ステップＳ２７にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３０に移行して、周波数の変更量を小さな値(例えば０.１５Ｈｚ)に設定して、周波数の制御・設定を実行した後、ステップＳ３３にて、電流指令値の振幅ゲインを所定値(例えば３０％)だけ削減して、ステップＳ２９に移行する。
【００７５】
図６の手続きによれば、電流と速度の位相差が許容値以内に収まった時点で、即ち、周波数がほぼ共振周波数となったとき、周波数変更処理は中止されることになる。又、電流と速度の位相差が超過判断基準▲１▼若しくは▲２▼を越えた場合、即ち現在の駆動周波数が共振周波数から大きくずれている場合には、周波数の変更と共に、電流指令値のゲインの削減が行なわれるため、ピストンの衝突が確実に回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリニアコンプレッサーの駆動制御装置の構成を表わすブロック図である。
【図２】駆動制御装置を構成する制御回路のブロック図である。
【図３】リニアコンプレッサーの構造を表わす断面図である。
【図４】制御回路の制御手続きの前半を表わすフローチャートである。
【図５】同上手続きの後半を示すフローチャートである。
【図６】図５に示す手続きに代えて採用されるべき手続きのフローチャートである。
【図７】位置指令値生成のための具体的な手続きを示すフローチャートである。
【図８】本発明における周波数変更の原理を説明する波形図である。
【図９】本発明における周波数変更の具体例を説明する波形図である。
【図１０】サインテーブルを示す図表である。
【符号の説明】
(１) リニアコンプレッサー
(２) 駆動制御装置
(３) モータドライバー
(４) 変位センサー
(41) ＭＲ素子
(５) 制御回路
(20) リニアモータ
(11a)(11b) シリンダー
(12a)(12b) ピストン
Claims (8)
- リニアモータによって往復出力部を往復駆動するリニアモータ駆動往復機構の制御装置において、
往復出力部の現在位置を検出するための位置検出手段と、
往復出力部に対する位置指令値を生成する位置指令値生成手段と、
検出された現在位置と、生成された位置指令値とに基づいて、リニアモータを制御するモータ制御手段
とを具え、前記位置指令値生成手段は、往復出力部の現在の駆動周波数を目標の駆動周波数に向けて変更する過程で、往復出力部の１往復動毎に、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数の存在比率を変化させながら、現在の駆動周波数と目標の駆動周波数が混在する波形に基づいて、位置指令値を生成することを特徴とするリニアモータ駆動往復機構の制御装置。 - 前記位置指令値生成手段は、
サイン波形を一連のデータ列として表わしたサインテーブルと、
サインテーブルから一定の周期で順次データを離散的に取り出しつつ、取り出したデータに基づいて、往復出力部の位置指令値を作成するデータ処理手段と、
往復出力部の現在の駆動周波数を目標の駆動周波数に向けて変更する際、往復出力部の１往復動に必要な複数のデータをサインテーブルから取り出す動作において、現在の駆動周波数を決定している第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、目標の駆動周波数を達成することが出来る第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ向けて、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を徐々に増加させるデータ取り出し制御手段
とを具えている請求項１に記載の制御装置。 - サインテーブルには、サイン波形の４分の１周期分のデータが規定されており、データ処理手段は、前記４分の１周期分のデータに基づいて、残りの４分の３周期分のデータを導出する請求項２に記載の制御装置。
- 前記位置指令値生成手段は、データ取り出し制御手段によって設定された第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作に移行するまで、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させる処理を続行する請求項２又は請求項３に記載の制御装置。
- 前記位置指令値生成手段は、第１のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作から、第２のデータ取り出し間隔で全てのデータを取り出す動作へ移行する途中で、目標駆動周波数が達成されたとき、第２のデータ取り出し間隔によるデータの取り出し回数を増加させる処理を中止する請求項２又は請求項３に記載の制御装置。
- 更に、目標の駆動周波数を決定する周波数制御手段を具え、該周波数制御手段は、電流指令値生成手段から得られる電流指令値の変化と、位置検出手段から得られる往復出力部の現在位置の変化との位相差に基づいて、往復出力部に共振が発生する周波数を算出し、該周波数を目標駆動周波数として設定する請求項２乃至請求項５の何れかに記載の制御装置。
- 更に、前記位相差が所定の超過判断基準を上回っているか否かを判断する手段を具え、上回っていないと判断された場合に前記データ取り出し手段による駆動周波数の変更を実行し、上回っていると判断された場合は、駆動周波数を目標駆動周波数に向けて所定値だけ変更すると共に、電流指令値を作成するためゲインを所定値だけ小さく設定する請求項６に記載の制御装置。
- データ取り出し制御手段は、第１のデータ取り出し間隔Ｔ１で全てのデータを取り出す動作から、第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を徐々に増加させるべく、
サインテーブルに規定されているデータに基づいて導出されるべき１周期分のデータの数をテーブルデータ数Ｎとして、該テーブルデータ数Ｎに整数の倍率Ｏを乗算して、テーブルデータ数拡張値Ｐを算出する手段と、
第１のデータ取り出し間隔Ｔ１に前記倍率Ｏを乗算して、データ取り出し間隔拡張値Ｍの初期値を算出すると共に、第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を増加させんとする度に、データ取り出し間隔拡張値Ｍを単位量だけ変化させて更新する手段と、
第２のデータ取り出し間隔Ｔ２によるデータの取り出し回数を増加させんとする度に、データ取り出し間隔拡張値Ｍだけカウンタ値Ｑが増大されるカウンタ手段と、
カウンタ手段のカウンタ値Ｑがテーブルデータ数拡張値Ｐ以上の値となったか否かを判断する手段と、
前記判断手段がイエスと判断したとき、カウンタ手段のカウンタ値Ｑからテーブルデータ数拡張値Ｐを減算して、カウンタ値Ｑを変更する手段と、
カウンタ値Ｑを前記倍率で除算し、切り捨て処理を伴って得られる除算結果をデータ取り出し番号Ｒとして、サインテーブルから順次データを取り出す手段
とを具えている請求項２乃至請求項７の何れかに記載の制御装置。
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